Las Moléculas Ultrafrías Podrían Proporcionar El Material “Qubit” Tan Buscado

El nuevo enfoque es prometedor para la computación cuántica

Esta cámara de vacío con aberturas para varios rayos láser se utilizó para enfriar moléculas de sodio-potasio a temperaturas de unos cientos de nanoKelvins, o mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto. Tales moléculas podrían usarse como un nuevo tipo de qubit, un bloque de construcción para eventuales computadoras cuánticas.

Usando moléculas ultrafrías hechas de solo dos átomos, investigadores de MIT demostrar un nuevo enfoque que produce configuraciones duraderas que podrían proporcionar el material “qubit” buscado durante mucho tiempo.

Los investigadores han dado un paso importante hacia el objetivo largamente buscado de una computadora cuántica, que en teoría debería ser capaz de realizar cálculos mucho más rápidos que las computadoras convencionales, para ciertos tipos de problemas. El nuevo trabajo muestra que las colecciones de moléculas ultrafrías pueden retener la información almacenada en ellas, durante cientos de veces más de lo que los investigadores habían logrado anteriormente con estos materiales.

Estos dos- átomo Las moléculas están hechas de sodio y potasio y se enfriaron a temperaturas apenas unas diez millonésimas de grado por encima cero absoluto (medido en cientos de nanokelvins, o nK). Los resultados se describen en un informe de esta semana en Science , de Martin Zwierlein, profesor de física del MIT e investigador principal del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT; Jee Woo Park, ex estudiante de posgrado del MIT; Sebastian Will, ex científico investigador del MIT y ahora profesor asistente en Universidad de Colombia y otros dos, todos en el MIT-Harvard Center for Ultrafold Atoms.

Se están estudiando muchos enfoques diferentes como posibles formas de crear qubits, los componentes básicos de las computadoras cuánticas teorizadas desde hace mucho tiempo pero aún no completamente realizadas. Los investigadores han intentado utilizar materiales superconductores, iones retenidos en trampas de iones o átomos neutros individuales, así como moléculas de diversa complejidad. El nuevo enfoque utiliza un grupo de moléculas muy simples hechas de solo dos átomos.

“Las moléculas tienen más ‘mangos’ que átomos”, dice Zwierlein, lo que significa más formas de interactuar entre sí y con influencias externas. “Pueden vibrar, pueden rotar y, de hecho, pueden interactuar fuertemente entre sí, lo que los átomos tienen dificultades para hacer. Por lo general, los átomos tienen que encontrarse realmente entre sí, estar casi uno encima del otro, antes de ver que hay otro átomo con el que interactuar, mientras que las moléculas pueden verse entre sí ”en rangos relativamente largos. “Para hacer que estos qubits se comuniquen entre sí y realicen cálculos, usar moléculas es una idea mucho mejor que usar átomos”, dice.

El uso de este tipo de moléculas de dos átomos para el procesamiento de información cuántica “se sugirió hace algún tiempo”, dice Park, “y este trabajo demuestra el primer paso experimental hacia la realización de esta nueva plataforma, que es que la información cuántica se puede almacenar en moléculas dipolares por tiempos prolongados “.

“Lo más sorprendente es que [estas] moléculas son un sistema que puede permitir realizar tanto el almacenamiento como el procesamiento de información cuántica, utilizando el mismo sistema físico”, dice Will. “Esa es en realidad una característica bastante rara que no es típica en absoluto entre los sistemas qubit que se consideran principalmente en la actualidad”.

En las pruebas de laboratorio iniciales de prueba de principio del equipo, unos pocos miles de moléculas simples estaban contenidas en una bocanada microscópica de gas, atrapadas en la intersección de dos rayos láser y enfriadas a temperaturas ultra frías de aproximadamente 300 nanokelvins. “Cuantos más átomos hay en una molécula, más difícil resulta enfriarlos”, dice Zwierlein, por lo que eligieron esta estructura simple de dos átomos.

Las moléculas tienen tres características clave: rotación, vibración y la dirección de giro de los núcleos de los dos átomos individuales. Para estos experimentos, los investigadores consiguieron que las moléculas estuvieran bajo control perfecto en términos de las tres características, es decir, en el estado más bajo de vibración, rotación y alineación de espín nuclear.

“Hemos sido capaces de atrapar moléculas durante mucho tiempo y también demostrar que pueden transportar información cuántica y retenerla durante mucho tiempo”, dice Zwierlein. Y eso, dice, es “uno de los avances o hitos clave que uno debe tener antes de esperar construir una computadora cuántica, que es un esfuerzo mucho más complicado”.

El uso de moléculas de sodio y potasio proporciona una serie de ventajas, dice Zwierlein. Por un lado, “la molécula es químicamente estable, por lo que si una de estas moléculas se encuentra con otra, no se rompen”.

En el contexto de computación cuántica , el “largo tiempo” al que se refiere Zwierlein es de un segundo, que es “de hecho, del orden de mil veces más que un experimento comparable que se haya realizado” utilizando la rotación para codificar el qubit, dice. “Sin medidas adicionales, ese experimento dio un milisegundo, pero esto ya fue genial”. Con el método de este equipo, la estabilidad inherente del sistema significa que “obtienes un segundo completo gratis”.

Eso sugiere, aunque aún está por probarse, que dicho sistema podría realizar miles de cálculos cuánticos, conocidos como puertas, en secuencia dentro de ese segundo de coherencia. Los resultados finales podrían entonces “leerse” ópticamente a través de un microscopio, revelando el estado final de las moléculas.

“Tenemos grandes esperanzas de poder hacer una de las llamadas puertas, que es una operación entre dos de estos qubits, como la suma, la resta o ese tipo de equivalente, en una fracción de milisegundo”, dice Zwierlein. “Si observa la proporción, podría esperar realizar entre 10,000 y 100,000 operaciones de puerta en el tiempo que tengamos la coherencia en la muestra. Eso ha sido declarado como uno de los requisitos para que una computadora cuántica tenga ese tipo de relación entre las operaciones de puerta y los tiempos de coherencia “.

“El próximo gran objetivo será ‘hablar’ con moléculas individuales. Entonces realmente estamos hablando de información cuántica ”, dice Will. “Si podemos atrapar una molécula, podemos atrapar dos. Y luego podemos pensar en implementar una ‘operación de puerta cuántica’, un cálculo elemental, entre dos qubits moleculares que se encuentran uno al lado del otro ”, dice.

Zwierlein dice que el uso de una matriz de quizás 1.000 moléculas de este tipo haría posible realizar cálculos tan complejos que ninguna computadora existente podría siquiera comenzar a verificar las posibilidades. Aunque enfatiza que este es todavía un paso temprano y que tales computadoras podrían estar a una década o más de distancia, en principio, tal dispositivo podría resolver rápidamente problemas actualmente insolubles, como factorizar números muy grandes, un proceso cuya dificultad forma la base de los mejores resultados actuales. sistemas de cifrado para transacciones financieras.

Además de la computación cuántica, el nuevo sistema también ofrece el potencial para una nueva forma de realizar mediciones de precisión y química cuántica, dice Zwierlein.

“Estos resultados son realmente de vanguardia”, dice Simon Cornish, profesor de física en la Universidad de Durham en el Reino Unido, que no participó en este trabajo. Los hallazgos “revelan maravillosamente el potencial de explotar estados de espín nuclear en moléculas ultrafrías para aplicaciones en el procesamiento de información cuántica, como memorias cuánticas y como un medio para sondear interacciones dipolares y colisiones ultrafrías en moléculas polares”, dice. “Creo que los resultados constituyen un gran paso adelante en el campo de las moléculas ultrafrías y serán de gran interés para la gran comunidad de investigadores que exploran aspectos relacionados de la ciencia cuántica, la coherencia, la información cuántica y la simulación cuántica”.

El equipo también incluyó a la estudiante de posgrado del MIT Zoe Yan y al posdoctorado Huanqian Loh. El trabajo fue apoyado por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU., La Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. Y la Fundación David y Lucile Packard.

Publicación: Jee Woo Park, et al., “Tiempo de coherencia de espín nuclear de segunda escala de moléculas ultrafrías 23 Na 40 K”, Science 28 de julio de 2017: Vol. 357, número 6349, págs. 372-375; DOI: 10.1126 / science.aal5066

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